JP2015176850A - 電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】 歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止できる電池を提供する。
【解決手段】 実施形態によれば、電池は、正極と、負極と、セパレータと、充填部を備える。前記正極は、正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を備える。前記負極は、負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を備える。前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通す。前記充填部は、前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す。
【選択図】図1
【解決手段】 実施形態によれば、電池は、正極と、負極と、セパレータと、充填部を備える。前記正極は、正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を備える。前記負極は、負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を備える。前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通す。前記充填部は、前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、例えば、正極と負極の間にセパレータが設けられ、これら一体物が巻回された状態で容器に収容される電池に関する。
に関する。
例えばリチウムイオン二次電池は、正極と、負極と、正極と負極の間に設けられて、正極と負極との接触を回避するセパレータを有している。これら、正極と、負極と、セパレータは、互いに重ねられて巻回されることによって電極群を形成し、容器内に収容されている。
セパレータは、電子を通過させず、かつ、イオンを通過可能な機能を有している。セパレータが多孔質の材料で形成される場合には、容器内に電解液が収容される。または、セパレータが電解質で形成される場合は、容器内に電解液は収容されない。このため、正極と負極間では、セパレータを介してイオンのやり取りが可能となる。
正極と負極は、各々、アルミニウムなどの金属材料を主材料として形成される集電体と、この集電体上に積層される活物質層を有している。活物質層は、活物質層を形成する活物質を、例えばノズル等の塗布手段によって集電体上に塗布することによって、形成されている。
活物質層の形成中に、活物質層の表面の一部に凹みが形成されることによって、活物質層の表面が平坦にならない場合がある。
凹みによって活物質層が薄くなることに起因して、集電体において凹みに対向する部分とそれ以外の部分で、正極または負極に対する電位差に差が生じ、それゆえ、電界集中が発生する。また、凹みにセパレータが入り込むことによって、セパレータと活物質層との距離が近くなることにより、電界集中が発生する。このため、凹みが形成される正極、または、負極は、廃棄されており、それゆえ、歩留まりが悪くなる。
このため、凹みを、活物質及び導電助剤有さない修正ペーストで埋めることによって、活物質層の表面を平坦にする技術が提案されている。
しかしながら、凹み、または、未塗布部を修正ペーストで埋めることによって、凹みではイオンの移動が生じず、電池の性能が低下する。
本発明が解決しようとする課題は、歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止できる電池を提供することである。
実施形態によれば、電池は、正極と、負極と、セパレータと、充填部を備える。前記正極は、正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を備える。前記負極は、負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を備える。前記セパレータは、前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通す。前記充填部は、前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す。
第1の実施形態に係る電池を、図1,2,3を用いて説明する。電池10は、本実施形態では、一例として二次電池である。図1は、電池10を示す斜視図である。図2は、図1に示すF2−F2線に沿って示す電池10の断面図である。図1,2に示すように、電池10は、容器20と、容器20内に収容される電極群30と、電解液Lを有している。
容器20は、一端に開口部21を有する有底形状の容器本体22と、容器本体22の開口部21を塞ぐ封口板23を有している。封口板23の上面には、正極端子24と、負極端子25が設けられている。
図3は、図2のF3−F3線に沿って示す電極群30の断面図である。図3に示すように、電極群30は、は、正極40と、負極50と、正極40と負極50の間に設けられるセパレータ60と、充填部70(凹み)を有している。図2,3に示すように、電極群30は、正極40と負極50とセパレータ60が互いに積層された一体物が、その長手方向に巻回されることによって形成されている。なお、図3は、この一体物を、一体物の長手方向に垂直に切断した状態を示している。
正極40は、例えばアルミニウムを主材料として形成される正極用集電体41と、正極用集電体41上に設けられる正極用活物質層42を有している。正極用集電体41は、板形状であり、可撓性を有している。正極用活物質層42は、正極用集電体41の幅方向Wの一端部43を除いた部分に形成されている。幅方向Wは、正極40の長手方向に垂直な方向である。正極用活物質層42は、可撓性を有している。正極用集電体41において正極用活物質層42が形成されていない一端部43は、正極用集電体41が露出している。
負極50は、例えばアルミニウムを主材料として形成される負極用集電体51と、負極用集電体51上に設けられる負極用活物質層52を有している。負極用集電体51は、板形状であり、可撓性を有している。負極用活物質層52は、負極用集電体51の幅方向Wの一端部53を除いた部分に形成されている。負極用活物質層52は、可撓性を有している。負極用集電体51において負極用活物質層52が形成されていない一端部53は、負極用集電体51が露出している。
正極40と負極50は、正極用活物質層42と負極用活物質層52が互いに対向し、かつ、集電体41,51が露出する端部43,45を幅方向Wに互いに反対側にする姿勢で、配置されている。
セパレータ60は、正極用活物質層42と負極用活物質層52の間に設けられている。具体的には、セパレータ60は、正極用活物質層42上に積層されている。負極用活物質層52は、セパレータ60上に積層されている。セパレータ60は、例えば多孔質である樹脂材料で形成されている。セパレータ60は、多孔質であることによって、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有している。セパレータ60は、可撓性を有している。
充填部70は、正極用活物質層42の表面45、または、負極用活物質層52の表面55に形成される、被充填凹部71に充填されており、被充填凹部71とセパレータ60の間に規定される隙間を埋めることが可能に形成されている。
充填部70を形成する充填材74は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有する材料で形成されている。それゆえ、充填部70は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有する。なお、充填材74が電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有していなくても、充填部70が形成されたときに充填部70が、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有していればよい。本実施形態では、充填材74は、例えば、セパレータ60と同じ材料である。
例えば、充填材74としては、有機多孔質、無機多孔質、有機繊維、無機粒子の内の少なくとも1種を含めるようにすることができる。
有機多孔質又は有機繊維を構成する有機物としては、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、セルロース、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリスルホン、ポリプロピレン及びポリビニルアルコールから成る群の内の少なくもと1種を含めるようにすることができる。
また、無機粒子としては、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリアの内の少なくとも1種を含めるようにすることができる。
本実施形態では、一例として、図3に示すように正極用活物質層42の一部に被充填凹部71が形成されている。ここで、被充填凹部71について、正極40に設けられる場合を一例に説明する。被充填凹部71は、図3に示すように、正極用活物質層42の表面45から正極用集電体41まで貫通する形状、または、図4に示すように、正極用活物質層42の表面45から正極用集電体41に到達しない位置まで凹む形状がある。図4は、電極群30を、図3と同様に切断して示す断面図である。なお、正極40を用いて被充填凹部71について説明したが、負極50においても同様である。
なお、正極用活物質層42の表面45と負極用活物質層52の表面55には、電池10の製造過程で、大きさの異なる凹みが複数形成される場合がある。本実施形態では、被充填凹部71は、これら凹みのうち、少なくとも、電池10の品質に対して問題となる影響を有する大きさ以上のものである。
例えば、凹みの開口部分の幅方向Wの大きさ、または、長手方向の大きさが、活物質層42,52を形成する活物質の粒径、導電剤の粒径、バインダの粒径のうち、最も大きいもの以上の大きいものを、被充填凹部71として設定してもよい。
または、凹みの開口部分の幅方向の大きさ、または、長手方向の大きさが、活物質と、導電剤と、バインダのうち、活物質層に最も高い割合で含まれているものの粒径よりも大きいものを被充填凹部71として設定してもよい。
または、集電体41,51の厚みに基づいて設定されてもよい。この場合、例えば、凹みの深さが集電体41,51の厚みの20パーセント以上の大きさのものを被充填凹部71として設定してもよい。
または、凹みの長手方向の長さが予め設定されている所定長さよりも長いものを、被充填凹部71として設定してもよい。または、不織布を用いてセパレータ60を形成する場合では、凹みの開口部の幅方向Wの大きさが、この繊維の径よりも大きいものを、被充填凹部71として設定してもよい。または、凹みのうち、上述した条件のいくつかを満たすものを被充填凹部71として設定してよい。
なお、本実施形態では、作業員が目視で確認できる凹みを被充填凹部71として設定している。この条件は、目視で確認できない大きさの凹みは、本実施形態の電池10に対して求められる品質に影響しないということに基づいている。この条件は、本実施形態に用いられる一例である。例えば、所望の品質においては、目視で確認できない大きさの凹みを、被充填凹部として設定してもよい。この場合、凹みを、例えば顕微鏡などの検査装置を用いることによって、確認することができる。
次に、電池10の製造方法について、その一例を説明する。まず、正極用集電体41上に、活物質を塗布することによって、正極用活物質層42を形成する。正極40が形成されると、次に、目視によって、被充填凹部71が形成されているか否かを確認する。被充填凹部71が形成されていない場合は、次に、負極50を形成する。
被充填凹部71が形成されている場合は、被充填凹部71に充填材74を充填して充填部70を形成する。充填材74は、充填部70の表面75が、正極用活物質層42の表面45と面一となる量が充填される。
被充填凹部71内に充填材74を充填する方法としては、例えば、作業者による手作業であってもよい。または、エレクトロスピニング法によって、充填材74としての不織布を充填してもよい。エレクトロスピニング法によって不織布を充填する場合は、被充填凹部71の位置の電位を調整することによって、不織布を形成する材料を吐出するノズルから当該材料を吐出することによって、自動的に被充填凹部71内に充填材74を充填することができる。
または、インクジェット法によって、被充填凹部71内に充填材74を充填してもよい。または、ジェットディスペンサ法によって、被充填凹部71内に充填材74を充填してもよい。このように、被充填凹部71内への充填材の充填方法は限定されない。充填部70が形成されることによって被充填凹部71が埋められるので、正極用活物質層42の表面45は、平坦になる。
充填部70が形成されると、次に、負極50を形成する。なお、被充填凹部71が形成されていない場合は、正極49が形成された後に、負極50を形成する。負極50は、正極40と同様に形成されるので、説明を省略する。なお、正極40と負極50を形成する順番は、限定されるものではない。
次に、正極40上にセパレータ60を形成する。セパレータ60が形成されると、図3,4に示すように、セパレータ60上に負極用活物質層52が積層されるように、負極50をセパレータ60上に積層する。
次に、正極40とセパレータ60と負極50の一体物を巻回することによって、電極群30を形成する。次に、電極群30を容器本体22内に収容する。次に、容器本体22の開口部21を封口板23で塞ぐ。このとき、正極40において正極用集電体41が露出する一端部43と正極端子24を、例えば接続線などの接続構造によって電気的に接続する。また、負極50において負極用集電体51が露出する一端部53と負極端子25を、例えば接続線などの接続構造によって電気的に接続する。
このように構成される電池10は、被充填凹部71が充填部70によって埋められることによって、電界集中の発生が防止される。この点について、具体的に説明する。被充填凹部71が形成されることによって、正極用集電体41において被充填凹部71に対向する部分とそれ以外の部分で、負極50に対する電位差に、差が生じる。しかしながら、被充填凹部71が充填部70で埋められることによって、正極用集電体41において被充填凹部71に対向する部分とそれ以外の部分での、負極50に対する電位差の差を減少することができる。このため、電解集中の発生を防止できる。これは、負極50に被充填凹部71が形成される場合であっても同様である。
このように、充填部70を形成することによって電解集中の発生を防止できる。このため、被充填凹部71が形成された正極40または負極50を廃棄することなく用いることができるので、材料の歩留まりを向上することができる。
また、充填部70が、電子を通過させず、かつ、イオンを通過する性質を有することによって、被充填凹部71を通して、正極40と負極50の間でイオンのやりとりを行うことができる。このため、電池の性能の低下を防止することができる。
このように、本実施形態の電池によれば、歩留まりを向上し、かつ、性能の低下を防止することができる。
また、充填部70が設けられることによって、本実施形態のように正極40とセパレータ60と負極50の一体物が巻回されることによって構成される電極群30を備える電池10では、製造効率の低下を防止できる。この点について、具体的に説明する。
被充填凹部71が充填部70によって埋められていない場合、正極40とセパレータ60と負極50が互いに重ねられると、被充填凹部71とセパレータ60の間に隙間が形成される。この状態で、この一体物が巻回されると、巻回時にセパレータ60がこの隙間に入り込むことによって、集電体41,51において被充填凹部71に対向する部分が、当該入り込んだセパレータ60に押圧されることによって、外側に突出して突出部を形成する。
この突出部は、正極40とセパレータ60と負極50の一体物の巻回数に応じて大きくなる傾向にある。突出部が大きくなることによって、電極群30を容器20内に収容しにくくなる。
しかしながら、本実施形態では、被充填凹部71が充填部70によって埋められることによって、正極40とセパレータ60と負極50の一体物を巻回する際に、上記の突出部が形成されることが防止される。このため、電極群30を容器20内に収容しにくくなることがないので、電池10の製造効率が低下することを防止できる。
なお、第1の実施形態では、充填材74は、一例として、セパレータ60を形成する材料と同じである。他の例では、充填部70は、セパレータ60を形成する材料とは異なる材料で形成されてもよい。充填部70は、電子を通過させず、かつ、イオンを通過可能な機能を有すればよい。
次に、第2の実施形態に係る電池を、図5を用いて説明する。なお、第1の実施形態と同様の機能を有する構成は、第1の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、セパレータ60と充填部70の構造が、第1の実施形態と異なる。他の構造は、第1の実施形態と同じである。上記異なる点について、具体的に説明する。
図5は、本実施形態の電極群30を、図3,4と同様に示す断面図である。図5に示すように、本実施形態では、充填部70は、セパレータ60と一体に形成されている。
本実施形態では、第1の実施形態と同様の効果が得られる。さらに、充填部70とセパレータ60を一体に形成できるので、電池10をより効率よく形成することができる。
例えば、正極40を形成した後、充填部70を形成することなく被充填凹部71が露出している状態でエレクトロスピニング法によってセパレータ60を形成すると、活物質層42において被充填凹部71と被充填凹部71以外の部分の電位差によって、被充填凹部71内にエレクトロスピニング法によって形成される繊維が選択的に充填されるようになる。そして、被充填凹部71内に充填部70が形成されると、正極用活物質層42上全体に不織布が塗布されてセパレータ60が形成される。このように、エレクトロスピニング法を用いると、自動的に、セパレータ60と充填部70を一体に形成することができる。
なお、第1,2の実施形態では、電池10は、電解液Lを有している。他の例では、セパレータ60と充填部70が、それぞれ、電界質で形成されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省力、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…電池、20…容器、30…電極群、40…正極、41…正極用集電体、42…正極用活物質層、50…負極、51…負極用集電体、52…負極用活物質層、60…セパレータ、70…充填部、71…被充填凹部。
Claims (5)
- 正極用集電体と、前記正極用集電体上に設けられる正極用活物質層を具備する正極と、
負極用集電体と、前記負極用集電体上に設けられる負極用活物質層を具備する負極と、
前記正極と前記負極の間に設けられ、電子を通さず、かつ、イオンを通すセパレータと、
前記正極用活物質層、または、前記負極用活物質層に設けられる凹みに充填されて前記凹みを埋める、電子を通さず、かつ、イオンを通す充填部と
を具備することを特徴とする電池。 - 前記セパレータと前記充填部は、一体に形成される
ことを特徴とする請求項1に記載の電池。 - 前記充填部は、有機多孔質、無機多孔質、有機繊維、無機粒子の内の少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電池。
- 前記有機多孔質又は有機繊維を構成する有機物は、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリイミド、ポリフッ化ビニリデン、セルロース、ポリオレフィン、ポリエーテル、ポリケトン、ポリスルホン、ポリプロピレン及びポリビニルアルコールから成る群の内の少なくもと1種を含むことを特徴とする請求項3記載の電池。
- 前記無機粒子は、アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、セリアの内の少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項3記載の電池。
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